Vacuum circuit breaker as well as the control system and the cut-off method

【０００１】
本発明は、少なくとも２つの互いに相対的に移動される接触子を有する接触子装置を備え、接触子が遮断過程中に変化する開離速度で互いに開離され、遮断過程中に接触子間に消弧すべきアークが発生する真空遮断器を制御する制御システムに関する。
【０００２】
この種の制御システムは例えば西独特許第３８１５８０５号明細書により公知である。 真空遮断器の接触子装置の遮断移動は偏心駆動機構によって制御される。 その場合、機械的レバー機構の構成は、可動接触子の非常に短い加速段階（１．３ｍｓ）の後、１ｍｍの接触子開放距離が得られるように選定される。 さらにそこには、０．８ｍｓ後に２ｍ／ｓの接触子開離速度を達成するのが特に好ましいとして記載されている。 この技術手段は、接触子の接点材料の溶融を防止するために、接触子開離後に発生するアークをできるだけ急速に消弧させることに基づいている。 それは、できるだけ高い接触子開離速度をできるだけ急速に達成すると共に真空遮断器の大きな遮断容量を得ることから出発している。
【０００３】
しかし接触子開離速度を任意に高めることは技術的に不可能である。 さらに大電流の遮断時には、この大電流は接触子間隔が特定の範囲内にある場合にしか良好に消弧できないことが示されなければならない。 この消弧範囲の外では、アークをできるだけ急速に最終的に消弧させるようにアークに作用することは技術的に非常に高いコストを要する。
【０００４】
したがって本発明の課題は、真空遮断器の制御装置を、遮断過程中に発生するアークを代替可能な技術手段によって確実に消弧させ得るように構成することである。
【０００５】
この課題は、本発明により、冒頭に述べた型の制御システムにおいて、予め定められた時間の経過後に初めて、定められた接触子間隔を越えるように制御が行われることによって達成される。
【０００６】
遮断アークの消弧を促進にするために、アークができるだけ拡散して発生するようにアークに作用することが必要である。 その場合、アークの挙動はほぼ接触子の形状および接触子間の接触子間隔によって相互に影響を受ける。 予め定められた時間内で両接触子の接触子間隔が両接触子の定められた接触子間隔を越えない場合、アークの消弧は代替可能な技術手段で解決し得る課題であることが判明している。 予め定められた時間とはアークが最終的な消弧に達するまで各遮断器構造にとって必要な最大インターバルである。 両接触子の接触子間隔が予め定められた時間中に定められた接触子間隔を越える場合、著しく膨大な技術的構造が必要になるであろう。 その場合、遮断電流によって生起しアークに作用する電磁力は、アークの回転つまり冷却および消弧を支援するのに十分に利用できない。
【０００７】
さらに制御システムのほかに、少なくとも２つの相対的に移動される接触子を有する接触子装置を備え、接触子が遮断過程中に変化する速度で互いに開離され、遮断過程中に接触子間に消弧すべきアークが発生する真空遮断器の遮断方法が提案される。
【０００８】
この方法では、アークが最終的に消弧するまで、第１段階の接触子開離の平均速度が、第１段階に直ぐ続く第２段階の接触子開離の平均速度より大きくされる。
【０００９】
従来は真空遮断器内のアークの消弧は常にできるだけ大きな接触子開離速度によって行われなければならないということから出発していた。 より大きな接触子開離速度を達成することが真空遮断器のより大きな遮断能力に直接つながるものと想定されていた。
【００１０】
高電圧領域において発生する遮断電流をも処理するために、アークの最終的な消弧まで第１段階の接触子開離の平均速度が第１段階に直ぐ続く第２段階の接触子開離の平均速度より大きいように選定されるのが好ましいものとして実証されている。 これによって、アークを回転させ、できるだけ拡散状態に保つために、長時間にわたって遮断電流の電磁力を利用することが可能になる。 さらに、このような速度プロフィールによって、接触子の移動のために比較的小容量の駆動装置を適用することが可能になる。
【００１１】
真空遮断器の他の遮断方法によれば、少なくとも２つの相対的に移動される接触子を有する接触子装置を備え、接触子が遮断過程中に変化する速度で互いに開離され、遮断過程中に接触子間に消弧すべきアークが発生する真空遮断器の遮断方法において、最終的なアーク消弧前に第１の時間範囲内で接触子の接触子間隔が予め定められた第１の接触子間隔から最低でも予め定められた第２の接触子間隔に、最大でも予め定められた第３の接触子間隔に拡大され、最終的なアーク消弧前に第１の時間範囲に時間的に続く第２の時間範囲内で接触子の接触子間隔が第２の接触子間隔と第３の接触子間隔の間に保たれる。
【００１２】
接触子間隔の変化が第１の時間範囲内および第２の時間範囲内で上述の如く行われるように接触子の開離を制御すると、高電圧においてもアークを短時間に確実に消弧させることが保証される。 第１の時間範囲内で接触子間隔は比較的大きな範囲で変化することができる。 第２の時間範囲において接触子間隔の変化範囲を制限することによって、再起電圧のピーク値発生の際にもアークの再点弧を不可能にすることが大きな確実さで保証される。 第１の接触子間隔はその都度の遮断器構成に応じてアークが最初に消弧させられる接触子間隔である。 第１の時間範囲内で遮断アークの消弧を開始させることができる。 好ましくはアークを第１の時間範囲内で最終的に消弧させることもできる。 このような好ましい前提条件はほぼ遮断移動の開始時点により、この瞬間に存在する遮断電流の位相に関連して決定される。
【００１３】
さらに、第１の接触子間隔が達成されると直ちに第１の時間範囲が開始すると有利である。
【００１４】
第１の接触子間隔が達成される時点で第１の時間範囲が開始することによって、全遮断過程のための必要時間が最短化されることが保証される。
【００１５】
さらに、第２の時間範囲の終了が接触子の遮断終了位置への到達時点とは異なると有利である。
【００１６】
接触子の遮断終了位置への到達時点を第２の時間範囲の終了から分離することによって、遮断移動をアーク消弧に関して最適化することが可能になる。 アークが消弧した後、接触子は任意の速度でその遮断終了位置へ移動される。 アークの再点弧の危険性は第２の時間範囲の終了後にはもはや存在しない。
【００１７】
さらに、接触子開離の速度が遮断電流に応じて制御されると好ましい。
【００１８】
例えば短絡電流のように非常に大きな電流を遮断する場合、例えば定格電流の遮断時とは異なる接触子開離の経過が必要とされるので、接触子開離の速度を遮断電流に応じて制御することは非常に有効である。
【００１９】
さらに、上述の方法を実施し上述の制御システムにより駆動するための真空遮断器において、可動接触子に電磁制動装置が付設される。
【００２０】
電磁制動装置はほとんど磨耗発生のない状態で制動をかけることができる。 従って、この電磁制動装置は特に真空遮断器の可動接触子の制動に適している。 これによって、接触子開離の移動経過を、上述の制御システムと組み合わせて、予め定められた移動形態、接触子間隔、および時間が守られるように制御することができる。
【００２１】
可動接触子に電気機械的制動装置が付設されていると好ましい。
【００２２】
電気機械的制動装置は極度に安価に構成することができ、移動過程の遅延のために十分な適性を備えている。
【００２３】
さらにまた、可動接触子に結合される部分が磁気レオロジー流体内で移動されると有利である。
【００２４】
この磁気レオロジー流体は磁界が作用するとその粘性が極めて急速に変化する。 このような流体そのものはその流体中で移動されるアセンブリの制動に良く適している。 この効果を利用する制動装置の制動作用は広い範囲で非常に良好に発揮される。
【００２５】
上述の方法および装置は、５０ｋＶ以上の電圧範囲で３０ｋＡ以上の短絡電流を遮断するために設けられる真空遮断器への適用に特に適している。
【００２６】
次に図面に示す実施例を参照して本発明を詳細に説明する。
【００２７】
図１、図２および図３は真空遮断器の遮断移動の時間−接触子間隔特性線図を示す。 座標の横軸には遮断移動時の経過時間ｔが目盛られ、座標の原点で両接触子の電気的開離が行われることとする。 縦軸には両接触子の接触子間隔ｓが目盛られている。 図１は本発明による遮断移動の可能な経過を示す。 時点ｔ＝０で遮断移動が開始される。 両接触子は電位的に開離される。 まず両接触子の接触子間隔は一定速度で増大する。 第１の時点ｔ _１で両接触子の第１の接触子間隔ｓ _１に達する。 時点ｔ _２までは一定速度で接触子の開離が行われる。 時点ｔ _２で第２の接触子間隔ｓ _２に達する。 第２の接触子間隔ｓ _２に達した後、第３の時点ｔ _３までは減少された速度で接触子の開離移動が行われる。 第１の時点ｔ _１と第３の時点ｔ _３の間のある時点で両接触子の接触子間隔が定められた第３の接触子間隔ｓ _３を越えることはない。 第３の時点ｔ _３は、この時点で両接触子間に発生するアークが確実に最終的に消弧するように選定される。 第３の時点ｔ _３に達した後、第３の接触子間隔ｓ _３を越える可能性が生ずる。 通常、接触子は第３の時点ｔ _３に達した後にその遮断終了位置に移動される。
【００２８】
時点ｔ _２の典型的な値として、両接触子の電気的開離が行われた後、８〜９ｍｓという値が与えられる。 第１の時点ｔ _１と第３の時点ｔ _３との間には１２ｍｓの時間インターバルが存在しなければならない。 第３の接触子間隔ｓ _３は第１の接触子間隔ｓ _１のほぼ３〜５倍である。 第２の接触子間隔ｓ _２は真空遮断器が適用される電圧領域によって決定される。
【００２９】
図２には、図１に示された第１の時点ｔ _１ 、第２の時点ｔ _２ 、第３の時点ｔ _３ 、およびそれらに対応する両接触子間の第１の接触子間隔ｓ _１ 、第２の接触子間隔ｓ _２ 、第３の接触子間隔ｓ _３が示されている。 第１の時点ｔ _１と第２の時点ｔ _２の間に第１の時間範囲１が形成されている。 第２の時点ｔ _２および第３の時点ｔ _３は第２の時間範囲２を限定する。 両接触子間の許容接触子間隔は第１の時間範囲１内で第１の接触子間隔ｓ _１と第３の接触子間隔ｓ _３との間で変わる。 第２の時間範囲２内で両接触子間の許容接触子間隔は第２の接触子間隔ｓ _２と第３の接触子間隔ｓ _３との間で変わる。 第３の時点ｔ _３で、両接触子間に発生するアークが最終的に消弧する。 両時間範囲１，２内に設定される両接触子間の許容最小接触子間隔および最大接触子間隔の範囲内で接触子間隔は任意に変更することができる。
【００３０】
図３には図１の（座標系内に実線で示された）移動経過に、図２の許容接触子間隔が重ねて示されている。 両時間範囲１，２内で、接触子間隔は許容限界値内で常に変化する。 遮断過程中にアーク消弧をできるだけ急速に達成するために、実線で示された移動経過内に両接触子間の第１の接触子間隔ｓ _１の到達時点、および第１の時間範囲１の開始が同一時点ｔ _１で示されている。
【００３１】
第３の接触子間隔ｓ _３への到達前に接触子の開離速度は、接触子間隔が第２の時間範囲２の各時点で許容限界値内にあるように減少させられる。 このようにして、アークの回転を促進しかつアークの拡散を促進するために、遮断電流によって発生する電界が常に十分な大きさであることが保証される。 第３の時点ｔ _３に到達した後、接触子の開離はその終端位置に達するまで継続される。 破線は他の移動経過を例示的に示したものである。 さらなる他の移動形態も可能である。 しかし、これらの移動形態は、第１の時間範囲１および第２の時間範囲２内での接触子間隔が許容限界値内で動くことを保証しなければならない。
【００３２】
図４ないし図６に示された制動装置は第２の接触子５の遮断移動の制動に役立つ。 この制動装置は制御システム１３によって制御される。 接触子開離の所望の移動経過を達成するために、この制動装置の代わりに、またはそれと組み合わせて、駆動装置１４を制御システム１３によって制御することもできる。
【００３３】
図４は、接触子装置を形成する接触子４，５を有する真空遮断器の真空バルブ３をその遮断位置で示す。 第１の接触子４は固定配置され（従って第１の接触子４は固定接触子であり）、第２の接触子５は開閉ロッド６によって駆動される（従って第２の接触子５は可動接触子である）。 開閉ロッド６と第２の接触子５との結合部には強磁性鉄心７が配置されている。 この強磁性鉄心７をコイル８が取り囲んでいる。 コイル８には両接触子４，５を流れる電流が流れる。 コイル８および強磁性鉄心７の組み合わせが電磁ブレーキの作用を呈する。 遮断移動の際、強磁性鉄心７がコイル８によって移動され、コイル８と強磁性鉄心７との間に、接触子５の遮断移動に対して逆向きに作用するように向けられた力が発生する。 それによって遮断移動が制動される。 遮断アークが最終的に消弧し、それに関連して電流の最終的遮断が行われて初めて、この力作用が減少し、開閉ロッド６がそれに固定された第２の接触子５を安全位置にさらに移動する。 この電磁制動装置、並びに図５および図６に示された制動装置は、真空遮断器に、上述の移動経過および限界範囲に対応するように配置される。 好ましくは、制動作用は第２の接触子間隔ｓ _２に到達した後に行われるようにするのがよい。
【００３４】
図５には電気機械的制動装置を有する真空遮断器の他の実施例がその遮断位置で示されている。 開閉ロッド６または第２の接触子５がそれに一方向側に力を付与する接触フィンガ９によって同心的に取り囲まれている。 接触フィンガ９はその内側に摩擦を増幅する付加的なブレーキライニング１０を備えている。 接触フィンガ９を介して電流が流れると、それによって作用する電磁力がブレーキライニング１０を有する接触フィンガ９を開閉ロッド６または第２の接触子５すなわち可動接触子に対して押圧する。 接触子４，５の開離が行われると、ブレーキライニング１０はその移動に直ちにブレーキをかける。 アークが最終的に消弧し、それに関連して電流が遮断されて初めて電磁力が無くなることにより、接触フィンガ９の押圧力も無くなり、接触子４，５の開離がこの電気機械的制動装置によってはほとんど影響を受けないで行われる。
【００３５】
図６は真空遮断器の他の実施例をその遮断位置で示す。 第２の接触子５に、この第２の接触子５の移動中に磁気レオロジー流体１２内で移動される構造部分１１が設けられている。 磁気レオロジー流体１２は、両接触子４，５を流れる電流による電磁界にさらされるように第２の接触子５の周りに配置されている。 この電磁界によって磁気レオロジー流体１２の粘性が高められ、遮断過程時に第２の接触子５の移動に逆向きに制動をかける。 第２の接触子５に結合された構造部分１１の構造に応じて、制動作用の強さを調節することができる。 さらにこの変形例のほかに、外部電界を与えることによって磁気レオロジー流体１２の粘性を変えることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】
遮断中における接触子間隔の変化の経過を示す時間−接触子間隔特性線図【図２】
第１の時間範囲および第２の時間範囲における時間−接触子間隔特性線図【図３】
第１の時間範囲および第２の時間範囲における複数の可能な時間−接触子間隔特性線図【図４】
電磁制動装置を有する真空遮断器の真空バルブを示す説明図【図５】
電気機械的制動装置を有する真空遮断器の真空バルブを示す説明図【図６】
流体制動装置を有する真空遮断器の真空バルブを示す説明図【符号の説明】
１ 第１の時間範囲２ 第２の時間範囲３ 真空バルブ４ 第１の接触子５ 第２の接触子６ 開閉ロッド７ 鉄心８ コイル９ 接触フィンガ１０ ブレーキライニング１１ 構造部分１２ 磁気レオロジー流体１３ 制御システム１４ 駆動装置